[論文レビュー] New Physics from NSIs in charm Decays

Shakeel Mahmood, Farida Tahir+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノスピンフラップ相互作用（NSIs）の枠組み内で、珍しいcharm崩壊 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$、および $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ を調査し、NSIsが特に長距離支配の過程において分支比を顕著に増幅させることを示している。これにより、$\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ や $\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$ などの新しい物理パラメータに対して、それぞれ $O(10^{-2})$ および $\sim 1$ の厳密な制約が得られる。

ABSTRACT

We study rare decays of Charm in NSIs. We calculate the NSIs Branching ratios of these decays. There is a strong dependence of these on new physics parameter. They provide, stringent constraints on free parameter in tau.

研究の動機と目的

• ニュートリノ-反ニュートリノ対を含む珍しいcharm崩壊における非標準的相互作用（NSIs）の役割を調査すること。
• 標準模型を超えた枠組みで、$D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$、および $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ の分支比を計算すること。
• これらの崩壊から、NSIパラメータ $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$、$\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$、および $\epsilon_{\alpha\beta}^{dL}$ ($\alpha,\beta = e,\mu$) に対する制約を導出すること。
• BES-IIIや将来のBファクトリーなどの低エネルギー実験における、これらの崩壊が新しい物理にどれほど感度を持つかを評価すること。
• charm物理学における長距離支配と短距離支配の崩壊モードにおけるNSIsの影響を比較すること。

提案手法

• NSI寄与の有効ハミルトニアンは、クォークレベルの遷移 $s \to d \, \nu_\alpha \bar{\nu}_\beta$ を用いて導出され、NSIパラメータ $\epsilon_{\alpha\beta}^{fP}$ を組み込む。
• 分支比は式 $\text{Br}(D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu)_{\text{NSI}} = \left| \frac{\alpha_{\text{em}}}{4\pi \sin^2\theta_W} V_{ud} \epsilon_{\alpha\beta}^{uL} \ln\frac{\Lambda}{m_W} \right|^2 \times \text{Br}(D_s^+ \to D^0 e^+ \nu_e)$ を用いて計算される。
• 理論的推定では、BES-IIIのデータから得られるベンチマーク値 $\text{Br}(D_s^+ \to D^0 e^+ \nu_e) = 5 \times 10^{-6}$ を用いる。
• 感度を可視化するために、新しい物理スケール $\Lambda$ とNSIパラメータ $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ の関数として、分支比の等高線図を生成する。
• 長距離支配と短距離支配の過程を区別し、モデル依存性の異なる影響を検討する。
• 理論的予測と実験的限界（特に $K^+ \to \pi^+ \bar{\nu}\nu$ からのもの）を比較することで、NSIパラメータに対する制約を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非標準的相互作用（NSIs）は、珍しいcharm崩壊 $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$、$D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$、および $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ の分支比にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらの崩壊から得られる、NSIパラメータ $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$、$\epsilon_{\tau\tau}^{dL}$、および $\epsilon_{\alpha\beta}^{dL}$ ($\alpha,\beta = e,\mu$) に対する制約は何か？
• RQ3 charm物理学における長距離支配と短距離支配の崩壊モードにおいて、NSI寄与はどのように比較されるか？
• RQ4 BES-IIIやBファクトリーなどの将来の実験が、本研究で予測されたNSI増幅の分支比を検出可能か？
• RQ5 NSIsは、標準模型の予測と実験データの乖離を、珍しい半レプトン的崩壊においてどれほど説明できるか？

主な発見

• $D_s^+ \to K^+ \bar{\nu}\nu$ の分支比は $2.23 \times 10^{-8}$ と計算され、長距離支配の過程においてNSI寄与により顕著に増幅されている。
• $D^0 \to \pi^0 \bar{\nu}\nu$ の分支比は $3.21 \times 10^{-8}$ と推定され、モデル依存の長距離ダイナミクスのおかげでNSIによる強い増幅が見られる。
• 短距離支配の過程 $D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ については、NSIによる分支比が $2.33 \times 10^{-15}$ となり、標準模型の値 $\sim 6 \times 10^{-15}$ よりわずかに増幅されている。
• この分析から、$D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}\nu$ 崩壊から $\epsilon_{\tau\tau}^{uL} \sim O(10^{-2})$ の制約が得られ、電弱スケールにおける新しい物理の感度が示された。
• $\epsilon_{\tau\tau}^{dL} \sim 1$ の制約が得られ、$\epsilon_{\alpha\beta}^{dL} < 1$（$\alpha,\beta = e,\mu$）であるため、フレーバー破れNSIパラメータに対して強い制約が得られた。
• 等高線図から、$D_s^+ \to D^+ \bar{\nu}_\tau \nu_\tau$ の分支比が $\Lambda$ と $\epsilon_{\tau\tau}^{uL}$ の両方に対して非常に感受しやすく、将来の高インテンシティ実験での検出可能性が示唆された。